Referat Atome - Kernspaltung - Kernwaffen

Inhaltsverzeichnis                         

Kapitel 1 - Atome                          

Atome

Quarks

Isotope

Kapitel 2 - Radioaktivität                       

Strahlungsarten

Der radioaktive Zerfall am Beispiel des Urans

Ionen

Kapitel 3 - Kernspaltung                    

Entdeckung

Die Kernspaltung am Beispiel des Uran

Kettenreaktion

Anreicherung

Kapitel 4 - Kernfusion                         

Kernfusion

Kapitel 5 - Kernwaffen                         

Atombombe

Wasserstoffbombe

Cobaltbombe

Neutronenbombe

Anlagen                             

Abb. 1 - Das Atommodell                    

Abb. 2 - Uran ( U-238 )                   

Abb. 3 - Strahlung                       

Abb. 4 - Abschirmung

Abb. 5 - Zerfall von Uran                       

Abb. 6 - Halbwertszeit                         

Abb. 7 - Kernspaltung                          

Abb. 8 - Kettenreaktion                   

Abb. 9 - Kernfusion                       

Abb. 10 - Schema einer A-bombe                       

Abb. 11 - Zerstörungskraft eine A-Bombe                

Quellen                             

Kapitel 1  - Atome

Atome Abb. 1

aus dem gr. von atomos - unteilbar; unteilbarer Urstoff.

Der Philosoph Demokrit nahm schon vor 2000 Jahren an, daß alle

Materie aus kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen bestehe.

1803 wurde diese Atomtheorie vom Engländer John Dalton erweitert.

Er entdeckte, daß es Stoffe gibt, die nur aus einer Atomsorte

bestehen. Man nennt sie chem. Elemente ( z.B. Gold, Sauerstoff und

Eisen ). Die Atome haben unterschiedliche Massen.

Heute findet man häufig folgende Definition des Atombegriffs:

' Ein Atom ist der kleinste Baustein eines chem. Grundstoffes oder

Elements, der ohne Verlust der typischen Eigenschaften dieses Elements

nicht mehr geteilt werden kann. '

Um ein Beispiel zu nennen wie groß Atome sind:

a)  Alle 5 Milliarden Menschen die z.Zt. auf der Erde leben,

würden, wenn ein Mensch so groß wie ein Atom wäre, eine etwa 50

cm lange Kette bilden.

oder

b)  Wenn der Atomkern die Größe einer Kirsche hätte, dann wäre ein

ganzes   Atom so groß wie der Kölner Dom.

1913 entwickelte der dänische Physiker Nils Bohr ein neues

Atommodell, das auch heute noch der Wirklichkeit sehr nahe kommt.

Danach ist ein Atom ähnlich aufgebaut wie ein Sonnensystem, d.h.

um den massereichen Atomkern kreisen in großem Abstand die

Elektronen.

Das heutige Atombild:

Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Dabei ist

der Kern  positv und die Hülle negativ geladen. Dabei trägt der

Atomkern fast die gesamte Masse des Atoms. Er ist aufgebaut aus

Protonen und Neutronen, die jeweils fast 2000 mal schwerer sind

als die Elektronen, aus der die Atomhülle besteht.

Das Proton hat die positive elektrische Ladung, die den gleichen

Wert besitzt wie die negative des Elektrons. Das Neutron jedoch

ist elektrisch neutral.

Den Wert der elektrischen Ladung des Protons oder Elektrons nennt

man Elementarladung.

Protonen und Neutronen werden oft zusammenfassend als Nukleonen

bezeichnet und bestehen ihrerseits aus noch kleineren Teilchen,

den Quarks.

Quarks

Lange Zeit glaubte man, daß die Nukleonen 'Elementarteilchen',

ähnlich wie das Elektronen nicht mehr teilbar seien und auch keine

innere Struktur hätten. Sie sind jedoch aus noch kleineren

Teilchen, den sogenannten 'Quarks' aufgebaut. Sie kommen in der

Natur nie als freie unabhängige Teilchen vor.

Heute kennt man sechs verschiedene Quarks.

Die zwei, für die normale, stabile Materie wichtigen sind:

das u-Quark ( von eng. 'up' ) und das d-Quark ( von eng. 'down').

Drei Quarks bilden jeweils ein Nukleon.

Die jeweiligen elektrischen Ladungen:

u-Quark = + 2/3

d-Quark = - 1/3

Elektron = - 1

Aufbau der Nukleonen:

Protonen  = 2 u-Quarks + 1 d-Quark ( 2/3 + 2/3 - 1/3 = +1 )

Neutronen = 2 d-Quarks + 1 u-Quark ( - 1/3 - 1/3 + 2/3 = 0 )

Die Menschen, die Erde, das ganze Milchstraßensystem sind

praktisch aus

drei  Grundbausteinen aufgebaut:

u-Quarks, d-Quarks und Elektronen.

Beispiel:

Ein 30-kg schweres Kind besteht aus:

2.8 * 10^28 u-Quarks, 2,6 * 10^28 d-Quarks und 10^28 Elektronen,

wobei 10^28 eine 1 mit 28 Nullen ist.

Die Quarks bilden Nukleonen, diese schließen sich zu Atomkernen

zusammen.

Kerne und Elektronen vereinigen sich zu Atomen, diese fügen sich

zu kleinen oder riesigen Molekülen wie Wasser oder Eiweiß

zusammen. Milliarden von Molekülen bilden unsere Körperzellen, von

denen ein Mensch viele Billionen besitzt.

1.3 Isotope Abb. 2

Die Atome eines Elements haben alle die gleiche Anzahl von

Protonen und Elektronen, können sich trotzdem aber voneinander

unterscheiden. Sie haben dann im Kern unterschiedliche

Neutronenzahlen. Allgemein bezeichnet man Atome mit gleicher

Protonenzahl aber unterschiedlicher Neutronenzahl als Isotope

eines bestimmten Elements.

Uran kommt in der Natur z.B. mit 234, 235 und 238 Nukleonen vor.

Urankerne besitzen alle 92 Protonen. Die 3 Uranisotope haben daher

142 ( 234 - 92 ), 143 und 146 Neutronen in ihren Atomkernen. Man

bezeichnet sie als U-234, U-235 und U-238.

Die Gesamtzahl der Nukleonen eines Isotops wird als Massenzahl,

die Zahl der Protonen als Ordnungszahl oder Kernladungszahl

bezeichnet. U-235 hat also die Massenzahl 235 und die Ordnungszahl

Gleichnamige Ladungen stoßen sich bekanntlich ab, ungleiche ziehen

sich an. So halten die positiven Atomkerne die negativen

Elektronen fest und zwingen sie auf ihre Kreisbahnen. Da die

meisten Atomkerne aus mehreren Protonen

bestehen, müßten sie daher eigentlich zerplatzen.

Wie ist es z.B. möglich, daß beim Kohlenstoffkern 6 positive

Protonen auf engstem Raum zusammenbleiben? Das liegt daran, daß

zwischen den Nukleonen eine noch viel größere Kraft, die sog.

Kernkraft wirkt, allerdings nur, wenn die Nukleonen einen sehr

kleinen Abstand voneinander haben.

Kapitel 2  - Radioaktivität

Strahlungsarten Abb. 3

Nicht alle chem. Elemente sind stabil. Alle Elemente mit einer

höheren Ordnungszahl als 80 und einige Isotope zerfallen, wobei

die Atomkerne einen Teil ihrer Masse in Form von Strahlung

abgeben. Man unterscheidet 3 Arten von Strahlung:

Alpha - Strahlung

Sie besteht aus Heliumkernen, die aus 2 Neutronen und 2 Protonen

bestehen. Daher ist die Strahlung positiv.

Beta - Strahlung

Sie besteht aus Elektronen und ist daher negativ. Diese Elektronen

entstehten dadurch, daß sich Neutronen umwandeln.

Gamma - Strahlung

Sie besteht aus energiereichen masselosen Strahlungsteilchen bzw.

Quanten ( Energiepakete ), wie z.B. auch beim Licht.

Entdeckt wurde die Radioaktivität 1896 vom franz. Physiker Henri

Becquerel und wurde vom Ehepaar Pierre und Marie Curie genauer

untersucht.

B. wollte herausfinden, ob bestimmte Steine, die vorher mit Licht

bestrahlt wurden, beim Nachleuchten außer sichtbarem Licht auch

unsichtbare Röntgenstrahlen aussenden. Dieses sind extremkurzwellige

und energiereiche elektromagnetische Strahlen, welche

elektrische und magnetische Energie mittels einer Welle

transportieren. Die Röntgenstrahlen durchdringen viele Stoffe

(z.B. Haut, Muskeln, Papier, usw. ) und belichten Photoplatten.

Dabei arbeitete Becquerel mit uranhaltigem Gestein. Dieses legte

er in einer Dunkelkammer auf eine unbelichtete Photoplatte, ohne

daß er wußte, daß das Gestein Strahlen aussendete. Nach der

Entwicklung der Photoplatte stellte er fest, daß sie durch

unbekannte Strahlung belichtet worden war. So wurde zufällig die

radioaktive Strahlung entdeckt.

Radioaktive Strahlung kann man heute mit dem Geigerzähler

nachweisen.

Zur Abschirmung dieser Strahlen nimmt man Stoffe, wie BleiAbb. 4

oder Beton.

Der radioaktive Zerfall am Beispiel des Urans Abb

Uran wandelt sich in mehreren Schritten in Blei um. Dabei werden

Uranatomkerne mit je 238 Kernbausteinen ( 92 P , 146 N )

schließlich zu Bleiatomkernen mit nur noch 206 Kernbausteinen ( 82

P, 124 N ) umgewandelt.

In diesem Umwandlungsprozess zerfällt das Uran in Thorium,

Protactinium und Polonium und noch 10 andere Elemente. Ein Teil

der radioaktiven Strahlung besteht aus Kernbausteinen. Daher ist

die radioaktive Strahlung mit

Elementumwandlungen verbunden. Beim Zerfall eines radioaktiven

Elements entsteht ein neues Element.

Die Anzahl der Kernzerfälle pro Sekunde heißt Aktivität des

Körpers, gemessen in der Einheit ein Becquerel ( 1 Bq ). Eine

Aktivität beträgt dann 1 Bq, wenn ein Kernzerfall pro Sekunde

stattfindet.

Abb. 6

Der Zeitraum, in dem ein Element zur Hälfte seiner Masse zerfallen

ist, nennt man Halbwertszeit. Bei einem Stück Uran-238 dauert die

Halbwertszeit etwa 4,5 Milliarden Jahre, bei Polonium 138 Tage und

bei Frankium 21 Minuten.

2.3 Ionen

Wenn radioaktive Strahlung z.B. auf ein Atom trifft, das nach

außen hin elektrisch neutral ist, so kann ein Elektron aus dem

Atom herausgelöst werden. Das Atom ist dann positiv geladen. Diese

Restatome, die unterschiedlich viele positive und negative

Ladungen besitzen, nennt man Ionen. Durch radioaktive Strahlung

können also neutrale Atome zu Ionen umgewandelt werden ( ionisiert

werden ).

Kapitel 3  - Kernspaltung

3.1 Entdeckung

Im Jahr 1938 beschossen die beiden deutschen Wissenschaftler Otto

Hahn und Fritz Straßmann Uranatomkerne mit Neutronen. Sie stellten

bei diesem Versuch fest, daß einige dieser Urankerne in zwei etwa

gleich große Stücke gespalten wurden. Die Neutronen können also

größere Atomkerne spalten. Protonen und Elektronen sind dafür

ungeeignet, da Protonen von den Protonen des Atomkerns abgestoßen

oder abgelenkt werden und Elektronen zu wenig Masse haben. Langsam

fliegende Neutronen dringen in der Regel viel häufiger in

Atomkerne ein als schnelle. Dabei bedeutet langsam immer noch

7920 Km/h. Das liegt daran, daß sich langsame Neutronen länger in

Kernnähe aufhalten und mehr Zeit haben, mit ihm zu reagieren.

Neutronen können nicht nur Atomkerne spalten, sondern auch

umwandeln, indem sie in den Kern eingebaut werden.

Die Kernspaltung am Beispiel des Urans Abb. 7

Das natürliche Uran besteht aus U-234, U-235 und U-238. Von 1000

Uranatomen haben 993 U-238-Kerne und 7 U-235-Kerne. Der U-234-

Anteil ist dabei unwichtig.

Langsame Neutronen spalten nur die U-235-Kerne. Dabei ensteht

zunächst ein Zwischenkern U-236, der jedoch instabil ist und in

mehrere Bruchstücke zerplatzt, z.B. in einen Barium-144-Kern,

einen Krypton-90-Kern und zwei neue Neutronen. Nach genauerer

Untersuchung stellte man fest, daß diese entstandenen Bruchstücke

weniger Masse haben, als der beschossene Kern und das Geschoß.

Es ist also Masse verlorengegangen, die in einen gewaltigen

Energiebetrag, die Kernenergie, umgewandelt wird.

Dies geschieht nach Einsteins Formel:         E = m * cý

Was ist also geschehen ?

Wie schon gesagt, wird ein Atomkern von sog. Kernkräften

zusammengehalten, die verhindern, daß die positive Protonen im

Kern sich abstoßen. Sie wirken allerdings nur, wenn sich die

Kernbausteine ganz nahe beieinander befinden.

Im Atomkern ist auch die Kernenergie gespeichert. Wenn nun nach

Eindringen des Neutrons der Kern in zwei Teile zerbricht, wirken

nur noch die abstoßenden Kräfte zwischen den beiden

Kernbruchstücken. Sie entfernen sich deshalb mit

hoher Geschwindigkeit voneinander. Daraus folgert man, daß die

Kernenergie in Bewegungsenergie der Bruchstücke umgewandelt wird.

Die Kernbruchstücke, stoßen an Nachbaratome, die in starke

Schwingungen versetzt werden und

sich aneinander reiben. Die Bewegungsenergie wird dabei in

Wärmeenergie umgewandelt.

Die neuentstehenden mittelschweren Atomkerne sind in der Regel

selbst radioaktiv und senden gefährliche Strahlungen aus.

Um U-238-Kerne zu spalten, braucht man sehr schnelle Neutronen.

In einem Kilogramm Uran-235 steckt soviel Energie wie in 93

Waggons Kohle oder 67 Kesselwagen mit Heizöl. Mit dieser

Energiemenge ( 23 Mio. kW/h ) könnten alle Bewohner

Westdeutschlands ihre Wohnungen eine Stunde lang beleuchten.

Kettenreaktion Abb. 8

Beschießt man ein Stück U-235 mit einem Neutron, spaltet dieses

irgendwo einen ersten Kern, der wiederum zwei Neutronen ausstößt.

Diese spalten weitere Kerne, welche wiederum 4 - 5 Neutronen

freisetzen. Wenn 4 dieser Geschosse auf Nachbaratome treffen und

diese zertrümmern, so bilden

sich 8 - 12 neue Neutronen. Diese spalten, abgesehen von einer

gewissen Verlustrate, wieder Kerne, wobei jedesmal ein gewaltiger

Energiebetrag freigesetzt wird. Dieser Vorgang setzt sich weiter

fort, und in

Sekundenbruchteilen wächst die Zahl der gespaltenen Kerne und

damit die Energiegewinnung lawinenartig an. Diesen Vorgang nennt

man Kettenreaktion.

Anreicherung

U-235 Kerne werden durch langsame Neutronen gespalten. Um U-238

Kerne zu spalten, benötigt man hingegen sehr schnelle Neutronen.

Langsame dringen zwar auch in den Kern ein, werden jedoch in ihn

eingebaut, so daß sich U-239 bildet. Dieses wandelt sich über eine

Zwischenstufe in Plutonium-239 um, das seinerseits gut durch langsame

Neutronen gespalten werden kann.

Man kann diesen Umweg aber wie folgt umgehen:

Das natürliche Uran besteht zu 99,3% aus U-238, was bedeutet, daß

sich keine Kettenreaktion ereignen kann, wenn es mit langsamen

Neutronen beschossen wird. Die 2 - 3 Neutronen, welche bei einer

Spaltung eines U-235-Kerns

entstehen, sind meistens zu schnell, um einen der wenigen U-235-

Kerne zu spalten, andererseits sind sie zu langsam, um das U-238

zu zertrümmern. Sie werden, wie gesagt, nur eingefangen. Eine

einmal ausgelöste Kernspaltung kann also ohne weiteres keine

Kettenreaktion erzeugen.

Es gibt jedoch eine Möglichkeit, diese zu erreichen.

1. Man erhöht den U-235 Gehalt ( z.B.: von 0,7% auf ca. 3% ), um

mehr

spaltbares Material zu erhalten; dies nennt man dann

Anreicherung.

2. Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen müssen verlangsamt

werden.

Das auf 3% angereicherte Uran allein nützt noch nicht viel, da

die beim

Spaltprozeß entstehenden Neutronen zu schnell sind. Deshalb

benutzt

man Stoffe, die Neutronen abbremsen können. Diese heißen

Moderatoren.

Hierzu eignen sich z.B. Kohlenstoff, Wasser und Berillium.

Kapitel 4  - Kernfusion

4.1 Kernfusion Abb. 9

Die Energie der Sonne stammt aus Kernverschmelzungen, oder auch

Kernfusionen genannt. Die Sonne setzt ungeheure Energien frei. Es

handelt sich dabei nicht um Kernspaltungen, weil dazu Elemente mit

hohen Massenzahlen nötig sind. Die Sonne besteht größtenteils aber

aus Elementen mit sehr kleinen Massenzahlen, vor allem ausWasserstoff

und Helium.

Auch bei normalen Verbrennungen finden Verschmelzungen statt.

Verbrennt z.B. Kohle, verschmelzen die Atomhüllen von Kohlenstoff

und Sauerstoff, es entsteht Kohlenstoffdioxid. Bei der Kernfusion

verschmelzen nicht die Atomhüllen, sondern die Atomkerne.

Wie bei der normalen Verbrennung ist auch für Kernfusionen eine

Art Aktivierungsenergie nötig. Zwei Atomkerne verschmelzen nämlich

erst dann, wenn sie durch hohe Temperatur und Druckverhältnisse

dicht aneinander

geraten. Denn es müssen erst die starken abstoßenden Kräfte

( Coulombsche Abstoßungskräfte ) der Atomkerne überwunden werden, da

diese beide positiv geladen sind.

Zur kontrollierten Verschmelzung kommen eigentlich nur die

beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium in Frage. Diese

Stoffe müssen auf ca. 100 Mio. øC erhitzt werden. Erst dann

reichen die Bewegungsenergien der Kerne zur sberwindung der

Abstoßungskräfte aus.

Verschmelzen Deuterium- und Tritiumkerne miteinander, so entsteht

jeweils ein Heliumkern und ein Neutron. Die beiden neugebildeten

Teilchen haben insgesamt weniger Masse als die beiden

Ausgangskerne. Der Verlust wird dabei in einen gewaltigen

Energiebetrag umgewandelt.

Bei der Bildung von einem Kilogramm Helium durch Kernfusionen wird

zehnmal soviel Energie frei wie bei der vollständigen Kernspaltung

von einem Kilogramm Uran. Allgemein sagt man Kernfusion ist der

Aufbau eines schwereren Atomkerns aus zwei leichteren.

Die Fixsterne, wie auch unsere Sonne beziehen ihre Energie durch

diesen Prozeß. Der Mensch hat sich diese Energiequelle bis jetzt

erst in der Wasserstoffbombe zunutze gemacht. Sogenannte

Fusionsreaktoren können mit den heutigen technischen Mitteln nicht

verwirklicht werden.

Die erste Wasserstoffbombe wurde von den USA im Jahre 1954

gezündet.

Kapitel 5  - Kernwaffen

5.1 Atombombe Abb. 10

Während in Atomkraftwerken Kettenreaktionen völlig kontrolliert

ablaufen, findet bei einer Atombombenexplosion eine

unkontrollierte Kettenreaktion statt. Diese läuft innerhalb von

Sekundenbruchteilen ( 1/1 Mio. Sekunde ) ab. Dadurch werden

explosionsartig große Mengen an Wärmeenergie frei ( 14 Mio. øC ,

23 kWh pro Kg U-235 ). Neben diesen ungeheuren Energien werden

auch tödliche radioaktive Spaltprodukte freigesetzt.

In der Atombombe kann es nur dann zur Kettenreaktion kommen,

wenngenügend freie Neutronen auf genügend spaltbare Kerne treffen.

Zwei Bedingungen müssen hierfür erfüllt werden:

1. Die Bombe muß reines U-235 enthalten, da sich nur diese Kerne

spalten lassen. Natururan eignet sich hiefür nicht, da es ja nur aus

0,7 % U-235 besteht. Das passive U-238 wird in Isotopentrennungsanlagen

herausgefiltert.

2. Eine ausreichend große Masse Uran muß vorhanden sein, denn

sonst verlassen die meisten Neutronen das Uran durch seine

Oberfläche, ohne daß eine Kettenreaktion ausgelößt wird. Diese notwendige

Mindestmasse, nennt man auch kritische Masse. Die kritische Masse beträgt

bei U-235 23 Kilogramm. Man kann diese Masse auch noch herabsetzten, indem

man das Uran mit einem sogenannten Neutronenreflektor umhüllt, der die

austretenden Neutronen in das Uran zurücklenkt.

Man kann außer U-235 auch noch Plutonium-239 verwenden. Hierbei

beträgt die kritische Masse sogar nur 5,6 Kilogramm. Es kommt in

der Natur nur sehr selten vor, wird aber in den Reaktoren von

Kernkraftwerken ständig erzeugt.

Abb. 11

Die bei der Explosion verlorengegangene Masse ist vergleichsweise

gering. Bei der Hiroshima-Bombe ( 6.8.1945 ) tötete ein Gramm

Materie, das in Energie umgewandelt wurde, ca. 200 000 Menschen.

5.2 Wasserstoffbombe

Bei Wasserstoffbomben bzw. thermonuklearen Sprengkörpern entsteht

die Energie durch Kernfusion der H-Isotope Deuterium und Tritium

oder Lithium-6. Zur Einleitung einer solchen Reaktion sind hohe

Temperaturen von einigen

MillionenøC nötig. Deswegen benutzt man eine Atombombe als Zünder.

5.3 Cobaltbombe

Umgibt man eine Wasserstoffbombe mit einem Cobaltmantel, so wird

das natürliche Cobaltisotop Co-59 durch Neutroneneinfang in das

radioaktive Co-60 umgewandelt, dessen starke Gammastrahlung eine

Halbwertzeit von 5,272 Jahren ( 5 Jahre und 99,28 Tage ) hat. Als

radioaktiver Niederschlag würde es eine verheerende Wirkung auf

alles Leben ausüben.

5.4 Neutronenbombe

Im Grunde genommen ist die Neutronenbombe eine sehr kleine

Wasserstoffbombe. Allerdings entsteht bei ihrer Detonation nur

wenig Hitze und eine schwache Druckwelle, so daß fast keine

Beschädigungen an Gebäuden und Waffen auftreten. Dafür kommt es

aber, zu einer sehr starken Neutronenstrahlung, die bei der

Kernfusion entsteht. Sie wirkt vor allem gegen Lebewesen.

Die Gefährlichkeit der Neutronenbombe beruht in erster Linie auf

der biologischen Strahlenwirkung, der bei der Deuterium-Tritium-

Fusionsreaktion freigesetzten schnellen Neutronen, die fast alle

Materialien durchdringen. Die von Neutronen getroffenen

organischen Moleküle können ihre biologischen Funktionen nicht

mehr ausführen, was zur Zerstörung der Zellen und schließlich zu

Krankheit und Tod führt.

Der radioaktive Niederschlag hingegen ist so gering, daß man das

Zielgebiet bereits nach 24 Stunden wieder betreten kann.

Anlagen: Abb. 1 - Das Atommodell

Abb. 2 - Uran ( U-238 )

Abb. 3 - Strahlung

Abb. 4 - Abschirmung

Abb. 5 - Zerfall von Uran

Abb. 6 - Halbwertszeit

Abb. 7 - Kernspaltung

Abb. 8 - Kettenreaktion

Abb. 9 - Kernfusion

Abb. 10 - Schema einer A-bombe

Abb. 11 - Zerstörungskraft eine A-Bombe

Quellen: 1. Brockhaus - Naturwissenschaften und Technik

2. Was ist Was - Band 3 - Atomenergie

3. Was ist Was - Band 79 - Moderne Physik

4. Cornelsen - Physik für die Sek. Stufe 1 AH

5. Schülerduden - Die Physik

6. Fischer Kolleg - Das Abiturwissen PHYSIK